ISOIEC TR 301672021 物联网（IoT）-物联网水下通信技术标准立项发展报告

物联网（IoT）物联网水下通信技术标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:InternetofThings(IoT)-UnderwaterCommunicationTechnologiesforIoT摘要随着全球物联网产业向海洋领域的深度延伸，水下物联网作为陆地物联网向水域空间的重要拓展方向，已成为各国海洋战略布局和数字经济竞争的关键赛道。水下通信技术作为水下物联网的核心支撑，长期面临声、光、电磁波等多种物理介质协同应用的复杂技术挑战，其标准化需求日益迫切。本报告围绕ISO/IECTR30167:2021《物联网（IoT）-物联网水下通信技术》技术报告的立项背景、技术内容、产业价值和未来发展方向进行系统分析。该标准由国际电工委员会（IEC）于2021年6月发布，是国际标准化组织在物联网水下通信领域发布的首份系统性技术文件，全面梳理了水下声学通信、水下光学通信、水下射频通信和磁感应通信四类主要技术路径的工作原理、技术特点、适用场景及面临的挑战，并基于物联网参考架构，提出水下物联网通信的技术能力需求与标准化缺口分析。报告指出，该标准的发布填补了水下物联网通信领域国际标准化的空白，为后续制定可互操作的规范性国际标准奠定了重要基础，对于推动海洋观测、水下资产管理、海洋环境监测和国防安全等领域的智能化发展具有重要意义。本报告同时就该标准的推广实施与未来修订方向提出展望。关键词：物联网；水下通信；技术报告；国际标准；声学通信；光学通信；射频通信；磁感应通信Keywords:InternetofThings;UnderwaterCommunication;TechnicalReport;InternationalStandard;AcousticCommunication;OpticalCommunication;RadioFrequencyCommunication;MagneticInductionCommunication一、引言1.1研究背景物联网（InternetofThings,IoT）作为新一代信息技术的重要组成部分，正在全球范围内深刻改变着人类社会的生产生活方式。据国际数据公司（IDC）预测，到2025年全球物联网连接设备总量将超过400亿台。然而，当前物联网的大规模部署主要集中于陆地环境，全球约71%的地球表面被海洋覆盖，水下物联网（UnderwaterInternetofThings,UIoT）的发展尚处于早期阶段。水下物联网是指由部署在水下环境中的各类传感器节点、自主水下航行器（AUV）、遥控潜器（ROV）、浮标、潜标等设备通过无线通信方式组成的分布式网络系统，能够实现对水下环境的实时感知、数据采集与信息传输。水下物联网在海洋环境监测、海洋资源勘探、水下基础设施巡检、水产养殖智能化管理、港口安防以及国防军事等领域具有广阔的应用前景。然而，水下环境极其复杂多变，水介质的电导率、温度梯度、盐度分布、水压等因素对无线通信信号的传播产生深远影响。陆地物联网中广泛使用的电磁波通信技术在海水中因衰减严重而难以直接应用，这使得水下通信技术在物理层面临根本性的技术挑战。声学通信虽然在水下具有远距离传播的优势，但其带宽窄、时延大、易受多径效应和多普勒效应影响；水下光学通信具有高带宽、低时延的优势，但受水质浊度影响严重，仅在清澈水域具有短距离高速通信能力；射频通信和磁感应通信则各有其在特定场景下的适用性。面对多样的通信需求和复杂的技术光谱，制定统一的技术标准和参考框架显得尤为必要。1.2标准立项背景ISO/IECTR30167:2021由国际电工委员会（IEC）下设的物联网与数字孪生标准化技术委员会（ISO/IECJTC1/SC41）负责制定。SC41的前身为ISO/IECJTC1于2014年成立的研究组SG1（物联网工作组），2016年正式转为SC41分技术委员会，自成立以来始终致力于物联网基础标准、参考架构和应用指南的系统性研制工作。SC41在完成物联网参考架构（ISO/IEC30141）等基础标准的制定后，敏锐地识别出水下通信作为物联网在垂直行业应用中的关键共性技术模块，亟需开展系统性的标准化梳理工作。2018年前后，SC41启动了对水下物联网通信技术可行性的初步探讨，并在2019年正式立项该技术报告，成立了专门的项目组，由来自中国、韩国、美国、日本、德国等多个国家的专家共同参与起草工作。项目组历经多轮国际会议讨论、技术征询和草案修改，最终于2021年6月正式发布ISO/IECTR30167:2021。1.3标准的性质与定位ISO/IECTR30167:2021属于技术报告（TechnicalReport,TR）类型，是ISO/IEC三类可发布文件（国际标准IS、技术规范TS、技术报告TR）中的一种。技术报告定位于提供信息性内容，而非规范性要求。这意味着该标准并不规定"必须如何做"的具体技术指标，而是系统性地描述和梳理水下物联网通信技术的现状、特点、挑战与标准化需求，为后续制定规范性标准提供框架性指引和信息基础。这一性质的确定，体现了标准化机构在面对快速演进的新兴技术领域时的审慎策略——首先通过技术报告形式凝聚行业共识、明确标准化需求与优先级，待技术成熟度和产业应用进一步明确后，再适时启动规范性标准的制定工作。二、标准技术内容分析2.1标准总体架构ISO/IECTR30167:2021在结构上遵循"场景-技术-需求-缺口"的四层递进逻辑框架。标准首先界定了水下物联网的典型应用场景和通信需求；随后对四类主流的水下无线通信技术进行系统分析；进而基于ISO/IEC30141物联网参考架构，映射水下物联网的通信能力需求；最后识别出当前标准化工作的缺口并提出后续工作建议。2.2水下物联网应用场景标准识别的典型水下物联网应用场景主要包括以下几类：海洋环境监测：包括海水温度、盐度、溶解氧、叶绿素浓度、洋流等海洋环境参数的实时监测与长期组网观测。此类应用通常需要大量传感器节点在较大范围内分布式部署，对通信的覆盖范围和传输距离有较高要求。海洋资源勘探与开采：包括海底油气田、天然气水合物、多金属结核等矿产资源的勘测与开采过程中的数据传输和设备监控。此类应用往往在深海环境中运行，面临高压、低温、黑暗等极端条件。水产养殖智能化管理：包括养殖网箱、养殖池塘中的水质参数监测、饵料投喂控制、鱼类行为观测和疾病预警等。此类应用倾向于在浅水区域部署高密度传感网络，对通信的实时性和成本较为敏感。水下基础设施巡检与维护：包括海底电缆、海底光缆、海底管道、海上风电基础等关键基础设施的状态监测与健康评估。此类应用通常沿线性结构布局传感器节点，对通信链路的可靠性和持续性要求较高。港口安防与水下安全：包括港口水域的入侵检测、水下可疑目标监控、潜水员定位与通信等。此类应用对安全和实时性有特殊要求。海洋科学研究：包括长期海底观测网、深海生态系统的原位观测、水下火山监测等，对观测数据的长期连续性、高保真传输有严格要求。2.3四类主要水下通信技术标准的核心技术内容是对以下四类水下通信技术的系统分析。2.3.1水下声学通信水下声学通信是当前技术最成熟、应用最广泛的水下无线通信方式。声波是水下唯一能够实现远距离传播的物理载体，在海水中的传播速度约为1500m/s，衰减系数远低于电磁波。声学通信可实现数十米至数十公里的传输距离，工作频率通常在几百赫兹至几十千赫兹之间。根据传输距离和频率的不同，声学通信可分为超短距离（<100m）、短距离（100m-1km）、中距离（1-10km）、长距离（10-100km）和超长距离（>100km）等不同量级。然而，水下声学通信存在明显的技术局限性。首先，其可用带宽极为有限，典型的水下声通信系统数据速率仅为每秒数千比特（kbps）至数十千比特的量级，远低于陆地无线通信的水平。其次，声波在水下传播路径存在复杂的多径效应——声波经海面、海底和海水体积的反射、折射后到达接收端的多条路径叠加，引起严重的码间干扰。此外，由于收发端或水体介质的运动，多普勒效应显著，对解调算法提出了较高要求。水声信道的时变性强、环境噪声复杂（包括航运噪声、生物噪声、风浪噪声等），进一步增加了系统设计的难度。标准对多种水声通信调制方式进行了分类阐述，包括频移键控（FSK）、相移键控（PSK）、正交频分复用（OFDM）、直接序列扩频（DSSS）和跳频扩频（FHSS）等，并分析了各自的优缺点与适用环境。2.3.2水下光学通信水下光学通信利用蓝绿光波段（波长约450-550nm）在海水中相对较低的衰减窗口进行信号传输。相较水声通信，水下光学通信具有极高的带宽潜力——在清澈海水中的理论数据传输速率可达每秒吉比特（Gbps）量级，且具有低时延、低功耗、设备体积小等显著优势。水下光学通信的传输距离通常为数十米级别，在清澈深海环境中可延伸至百米以上，但在浑浊近岸水域或高浊度环境中传输距离急剧缩短至几米以内。水下光学通信系统通常采用发光二极管（LED）或激光二极管（LD）作为发射光源，采用光电二极管（PD）或光电倍增管（PMT）作为接收器件。调制方式涵盖强度调制/直接检测（IM/DD）、脉冲位置调制（PPM）、正交频分复用（OFDM）等。由于水体的吸收和散射效应显著，水下光通信链路预算紧张，对发射功率、接收灵敏度和对准精度均有较高要求。近年来，基于蓝绿激光的水下高速无线光通信技术取得了快速发展，在高速数据传输的短距场景中展现出替代部分水声通信的潜力。然而，水下光学通信的自适应性与组网能力尚未大规模验证，多数系统仍处于点对点传输的中试和验证阶段，大规模组网部署尚需解决链路对准、环境自适应和节点协同等关键技术问题。2.3.3水下射频通信射频（RadioFrequency,RF）电磁波在海水中传播时的衰减极其严重。由于海水具有较高的电导率，电磁波在其中的趋肤深度（穿透深度）与其频率成反比。例如，典型的甚低频（VLF，3-30kHz）电磁波在海水中仅能穿透约10-30米，而常用频段（如MHz级别以上）的传播距离仅为毫米至厘米量级。受此制约，水下射频通信的实际可行传输距离极为有限，通常仅适用于超短距离（1-10米）的特殊应用场景，如水下传感器节点与海底固定基站之间的近距离数据回传、海底设备间通信等。尽管如此，射频通信在水下具有独特的优势：它不依赖声学信道中的环境噪声干扰，对水体的温度、盐度、浊度变化不敏感，即不受水声信道的多径效应和多普勒效应影响，可实现较为稳定的通信质量，且不需要严格的收发端对准。水下射频通信的调制方式包括幅度调制（ASK）、频率调制（FSK）、相位调制（PSK）等。近年来，随着低频射频电路技术的进步，基于磁耦合的射频通信方案在超短距离水下通信中展现出一定应用前景。标准对该技术的定位是短距离、低速率、高可靠性的补充性通信手段，常与其他通信手段结合构成异构网络。2.3.4水下磁感应通信磁感应（MagneticInduction,MI）通信是一种利用近场磁耦合原理实现信息传输的技术。其基本原理是通过发射端线圈产生交变磁场，在接收端线圈中感应出相应的电流变化，从而实现信号传递。磁感应通信的工作频率通常在几十千赫兹至几十兆赫兹之间。相较于电磁波通信，磁感应通信的主要优势在于其信号传输几乎不受水介质电导率的影响——磁场在水中的衰减主要由几何传播损耗和涡流损耗决定，因此理论上可在水下实现相对稳定的通信质量，且频率越低受涡流损耗影响越小。磁感应通信的传输距离通常为几米至几十米，数据速率可达每秒数百千比特至数兆比特。但磁感应通信的传输距离受线圈尺寸和天线方向性的明显限制，大范围组网需要密集部署中继节点，系统的整体功耗也需统筹考量。标准指出，磁感应通信特别适用于以下场景：一是隧道、管道、沉积层等复杂介质中的通信，此时声学和光学手段均难以有效工作；二是需要穿越水-陆或水-空界面的通信——磁感应通信可实现从水下节点向水上或岸上节点的跨介质通信（如将信息传递至水上浮标或无人机），这是声学和光学通信难以实现的（需借助浮标或网关中转）；三是近距离高可靠数据采集，例如海底观测节点的短距数据汇聚。磁感应通信在传感器网络和地下/水下物联网中被视为一种前景可期的短距离通信补充技术。2.4基于物联网参考架构的需求映射标准依据ISO/IEC30141物联网参考架构中定义的"智能物联网域"模型，将水下物联网通信需求从物理实体层、通信网络层、服务平台层、应用服务层和运维管控层等维度进行了系统映射分析。标准进一步归纳出水下物联网通信的技术能力需求清单，主要包括：-网络覆盖能力：支持从局部高密度传感器集群到广域稀疏观测网络的多种覆盖模式，覆盖范围涵盖水平方向与垂直方向（不同水深）的立体空间。-数据速率适配：针对环境监测（低速率、周期性传输）、图像/视频回传（高速率、大流量突发传输）和实时控制（中等速率、低时延）等差异化需求，通信技术应具备灵活可调的数据速率。-能耗约束：由于水下节点的电池更换极为困难，长生命周期运行对通信功耗提出了苛刻要求，需支持低功耗监听、休眠唤醒等节能机制。-可靠性与鲁棒性：水下环境信道的强时变性和恶劣条件要求通信协议具备纠错、重传、链路自适应等机制。-安全性与私密性：水下通信链路的窃听风险与数据安全保障需求日益突出。-异构融合能力：不同类型通信技术面向差异化场景需求互补共存，网络层需具备统一的异构接入与融合管理能力，以支撑面向复杂应用的多手段协同。2.5标准化缺口分析标准对当前水下物联网通信标准化工作进行了系统梳理，识别出以下关键标准化缺口：1.水下通信网络架构标准缺失：目前尚缺乏统一的水下物联网通信网络架构标准，不同系统间的互操作性和可扩展性面临瓶颈。2.接口规范不统一：水下通信节点与上层应用平台之间的接口缺乏统一标准，导致信息孤岛问题严重。3.数据格式与语义互操作：水下物联网采集的数据缺乏统一编码和语义模型，跨系统数据融合共享困难。4.测试与评估方法有待建立：缺乏统一的水下通信设备性能测试标准、评测指标体系和测试环境规范。5.安全机制标准化不足：水下通信链路的安全协议、加密机制和密钥管理方法缺乏规范化指导。三、标准发布机构与参与单位3.1发布机构本标准由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）发布，具体由ISO/IECJTC1/SC41（物联网与数字孪生分技术委员会）归口管理。IEC成立于1906年，是制定和发布国际电工电子领域标准的权威组织，其与ISO（国际标准化组织）共同运营的JTC1联合技术委员会负责信息技术领域的国际标准化工作。SC41是JTC1下属最活跃的分技术委员会之一，其工作范围涵盖物联网基础标准、参考架构、互操作性、应用指南以及数字孪生相关的标准化。截至2024年，SC41已发布和正在制定的标准项目超过50项，核心标准包括ISO/IEC30141（物联网参考架构）、ISO/IEC21823（物联网互操作性）、ISO/IEC30140（水下物联网参考架构，该系列亦由SC41牵头，与水下通信标准形成互补）等。3.2主要参与单位在ISO/IECTR30167:2021的制定过程中，来自全球多个国家的标准化组织和科研机构参与了草案的起草和技术讨论。其中，韩国电子通信研究院（ETRI）承担了项目编辑（ProjectEditor）的重要角色，负责草案的整合、修改与推进。ETRI是韩国最具影响力的信息通